暨南大学刘明贤教授团队在纳米材料促进细胞取向生长方面取得新成果
利用有序的材料结构引导细胞取向生长是组织工程领域一项重要的策略。细胞的取向生长可以显著改变细胞的黏附、增殖、迁移和分化行为，尤其是干细胞的定向分化。然而，材料和细胞之间缺乏有效的通讯方式，材料与细胞等生物元件的界面的亲和性差，因此调控材料的细胞亲和性和增加细胞生长的有序性是此领域重要的研究课题。虽然利用有序的材料图案基底可以获得某些细胞取向生长的结果，但当今多数接触引导技术，如光刻蚀技术和自组装技术，存在价格昂贵，过程繁杂，条件严苛，需要专用的仪器，结果不能够重复的问题，制约了这项技术的实际应用。
暨南大学刘明贤教授团队针对3D打印聚乳酸材料不能够较好地引导细胞取向生长的问题，提出了一种新颖的策略。相关成果以“Halloysite nanotubes coated 3D printed PLA pattern for guiding human mesenchymal stem cells (hMSCs) orientation”为题，发表于化工材料领域著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。该论文结合聚乳酸的3D打印技术、生物粘附剂多巴胺界面改性技术并采用自然界中广泛存在的天然矿物埃洛石纳米管的良好的细胞黏附性，实现了适合细胞取向生长的接触引导材料的大面积高效制备。
埃洛石纳米涂层改性的3D打印聚乳酸细胞引导材料制备流程图
在这项研究中，通过将3D打印的聚乳酸（PLA）图案浸入多巴胺和埃洛石纳米管（HNTs）溶液中来改善细胞取向的能力，制备了具有不同条纹宽度的HNTs涂覆的3D打印PLA基质图案。研究发现，通过调整3D打印参数，可以方便地获得具有不同条纹宽度(0.05~0.3 mm)的PLA规则图案。在多巴胺聚合成为聚多巴胺（PDA）后，一层PDA @HNTs杂化涂层均匀涂覆在PLA图案表面，并且和基底的结合力牢固。不同条纹宽度的3D打印PLA图案能够不同程度地诱导成骨细胞和干细胞取向生长。随着条纹宽度的减小，细胞取向角分布变窄。当条纹宽度为0.05 mm时，细胞取向角接近0°，而空白对照组则具有-90°至90°范围内的大的细胞取向角。随着PLA条纹宽度的减小，细胞的平均取向角减小。0.05 mm HNTs涂覆的PLA图案的平均取向角最低达到2.49°，这是因为细胞在扩散过程中受到基质几何图案的限制，迫使细胞伪足只沿PLA条纹方向生长。PDA@HNTs涂层改善了聚乳酸材料的粗糙度和亲水性，0.05 mm宽度的PLA条纹图案平均水接触角从67.0°降至57.6°。PDA@HNTs涂层还能够增强细胞在聚乳酸材料上的黏附和增殖。CCK-8检测结果表明在细胞培养1天和3天后，修饰的PLA图案的OD值均高于纯PLA图案的OD值。这表明HNTs涂层和PDA涂层可以同时改善细胞与PLA图案的粘附。PDA@HNTs涂层修饰的PLA图案的细胞活性较高，这是因为PDA固定住了HNTs，增强了HNTs对PLA基底的粘附性，从而提高了材料的生物相容性。总之，PDA和HNTs修饰后的PLA图案之所以细胞粘附和增殖能力提高，主要是因为PDA和HNTs的生物活性及材料表面粗糙度的改善。
HNTs涂覆的3D打印PLA图案表面上的hMSCs荧光显微镜照片（A）。不同条纹宽度的3D打印PLA图案细胞取向角和平均取向角的分布（B和C）。不同表面改性的PLA图案OD值检测结果（D）
该工作的意义在于结合了三种最新技术的优势，即3D打印制造技术、生物界面调控技术和纳米新材料技术，不仅拓宽了生物黏土埃洛石的应用领域，还高效率低成本地制备出了高性能的细胞取向生长基底材料，这种技术在组织工程支架、创伤愈合材料和生物传感器领域有较高地应用前景。这项纳米涂覆技术也有望在其他类型材料的表面改性上获得广泛应用，从而提高材料的某些关键性能。
该团队硕士生吴帆为论文的第一作者，暨南大学刘明贤教授为论文的唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家自然基金青年项目、“广东特支计划”科技青年拔尖人才和广州市珠江科技新星项目等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.11.145
实验室网页：
http://www.jnulmx.icoc.cc/
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